Фотоелектричен ефект
Фотоелектричният ефект се описва естествено с фотони. Всеки фотон има енергия E=hf и електрон може да напусне повърхността само ако енергията на един фотон е поне равна на работата на отделяне на материала.
Първо прагът, после интензитетът
Енергийният баланс е hf=φ+Kmax. Ако hf<φ, електрони не се отделят дори при силно увеличен интензитет. Над прага излишната енергия става кинетична енергия.
По-големият интензитет при същата честота над прага увеличава броя фотони и обикновено фототока, но не увеличава Kmax на отделния електрон.
Изследване на прага
Спирачното напрежение измерва максималната енергия
Противоположно електрично поле забавя фотоелектроните. Когато дори най-бързите са спрени, eVₛ=Kmax.
Така честотата определя спирачното напрежение, а интензитетът основно броя на отделените електрони.
Експериментът дава линейна зависимост от честотата
Kmax расте линейно с f и става нула при материално специфична прагова честота. Наклонът е свързан с константата на Планк h.
Работата на отделяне зависи от материала и състоянието на повърхността и не е универсална константа.
Честота и интензитет са различни величини
c=fλ свързва честотата с дължината на вълната. По-къса λ означава по-енергиен фотон, но силната светлина не означава непременно по-енергийни фотони.
Интензивна червена светлина може да е под прага, а слаба ултравиолетова светлина да отделя електрони — ключова особеност на ефекта.
Решени примери
1. Прагова дължина
φ=2,5 eV.
Решение
λ₀≈496 nm.
2. Кинетична енергия
hf=4,2 eV, φ=2,0 eV.
Решение
Kmax=2,2 eV.
3. Спирачно напрежение
Kmax=1,6 eV.
Решение
Vₛ=1,6 V.
При реална повърхност примеси, кристална структура и адсорбирани слоеве могат да променят работата на отделяне, а електроните имат разпределение на енергиите. Въпреки това прагът, hf=φ+Kmax и спирачното напрежение запазват основното енергийно съдържание и ясно разделят ролята на честотата от ролята на интензитета.
Експерименталното наблюдение трябва да се отличава от идеализирания модел. Честотата, дължината на вълната, температурата, състоянието на повърхността и отговорът на детектора могат да влияят на измерения сигнал, докато основните енергийни връзки определят какво е възможно. Особено важно е да се различават енергията на един фотон и броят фотони: висок интензитет не означава автоматично по-голямо hf. Също така спектралният максимум не е целият спектър, а прагът не означава, че всички микроскопични събития са еднакви. При числен анализ единиците се проверяват преди заместване и преходите между eV, джаули, честота и дължина на вълната се правят последователно. Резултатът трябва да съвпада с физичните граници: липса на емисия под прага, по-къса максимална дължина при по-висока температура и запазване на енергията във фотонния процес.